無線控制技術在電廠的應用

鄭慧莉

(中國電力工程顧問集團公司，北京 100120)

近一段時間以來，無線控制技術已成為自動化領域的熱門話題，無線控制技術可以大幅降低控制系統(tǒng)成本，并有效簡化控制系統(tǒng)，具有逐步替代傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的潛力，是未來自動化產品新的增長點和發(fā)展方向之一。傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)是有線控制系統(tǒng)，具有監(jiān)控點數量多、布線復雜、集成難度較大，施工、調試、運行、維護工作量大等問題。首先，惡劣的環(huán)境給工程布線帶來了一定的困難；其次，由于布線數量多和布線路徑復雜，一方面需要設置母線槽、電纜橋架、電纜穿管等，另一方面需要根據現場實際環(huán)境選擇耐高溫、防爆、阻燃等要求的電纜，以及橋架隔板，還需考慮防火堵料封堵等；再次，不便于維護，系統(tǒng)的安裝、查線、調試需要花費大量時間，維護與更換的復雜度大，費用較高，影響電廠建設工期；最后，電纜易老化腐蝕，控制系統(tǒng)長期運行面臨著電纜老化、腐蝕破損等其他自然或人為損壞因素。因此，與有線控制方式相比，無線控制技術的優(yōu)越性是不言而喻的。在保證信號安全、暢通、可靠的條件下，通過無線技術可以將電廠用于監(jiān)視、控制、報警、保護等現場儀表傳感器與實時控制系統(tǒng)、直到上層管理信息系統(tǒng)相集成，無線技術還可應用于現場無線設備之間互聯等。因此，無線控制技術具有良好的應用發(fā)展前景。

1 無線技術的標準

為實現無線設備的互換性和互操作性，降低成本，擴大應用，實現規(guī)模效益，無線技術必須實現標準化，從而使來自不同生產廠商的無線智能儀表與控制系統(tǒng)產品能夠在同一網絡平臺下協(xié)同工作。早在2005年，國際自動化學會ISA100就倡導并致力于通過定義和頒布系列標準、推薦導則以及組成相應技術工作組，以實現自動化和控制環(huán)境下的無線網絡標準化。迄今為止，無線網絡仍難以統(tǒng)一到一個真正意義上的技術標準，仍需要有一個融合發(fā)展的過程，其現狀是：其中有的無線標準已正式頒布實施，有的還在討論審批過程中，有的尚處于研發(fā)階段。以下就主要的無線標準做簡單介紹。

1.1 無線HART標準

無線HART標準是HART通信協(xié)議的擴展，是面向過程測量、過程控制和資產管理全面應用的一種無線協(xié)議，是專為過程監(jiān)視和控制等工業(yè)環(huán)境應用設計的。2007年6月，經HART通信基金會批準，無線HART標準作為HART 7(Wireless HART)技術規(guī)范的一部分，加入了總的HART通信協(xié)議家族中，這是無線技術發(fā)展的里程碑。IEC 62591(Ed.1.0)是國際電工委員會于2010年4月批準發(fā)布的完全國際化的無線HART標準，它是過程自動化領域的第一個無線傳感器網絡國際標準，符合IEEE 802.15.4標準。該網絡運行在2.4GHz頻段上，采用直接序列擴頻、通信安全與可靠的信道跳頻、時分多址同步、網絡上設備間延控通信等技術。迄今為止，全球至少安裝了2400萬個HART裝置，為無線HART的推廣應用奠定了基礎。

1.2 無線ISA100標準

無線ISA100標準是由國際自動化學會管理并倡導的，處于發(fā)展過程中的相對較新的標準，也是無線傳感領域中具有競爭力的標準之一，其采用了6LoWPAN技術，主要提供工業(yè)自動化與控制應用領域的、重點在現場設備級的無線標準。6LoWPAN是“IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks”(低功率無線個域網上的IPv(6)的縮寫，屬于IETF(因特爾網工程任務組)中的一個工作組。

ISA100標準的特點是在物理層使用了IEEE802.15.4的射頻標準。采用分層的技術，為各層之間提供了獨立性，使得任何層內的修改不會干擾到其他層，這種獨立性是面向未來的基礎，便于現有技術的創(chuàng)新和發(fā)展新技術。

1.3 無線ZigBee標準

無線ZigBee標準的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知所發(fā)現新食物源的位置、距離和方向等信息。ZigBee無線技術模仿蜜蜂通過跳舞來傳遞信息方向，并支持海量節(jié)點入網，最多可支持65535個設備，該標準由ZigBee聯盟所定義，于2004年12月獲得批準且基于IEEE 802.15.4標準頻率2.4GHz的網絡互聯通信協(xié)議。ZigBee標準化組織主要致力于制訂諸如嵌入傳感、醫(yī)療數據收集、電視遙控類用戶裝置、家庭自動化等方面應用的IEEE無線標準聯網規(guī)范，并受到許多大的工業(yè)聯合體的支持。另外，ZigBee也已制訂了如鑒別、加密、關聯和應用服務等處于通信上層的附加通信性能方面的相關規(guī)定。

1.4 無線WIA—PA標準

無線WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)標準是中國工業(yè)無線控制技術聯盟針對過程自動化領域的需求而率先制定的WIA子標準，是在中科院沈陽自動化研究所的牽頭下，聯合浙江大學、機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經濟研究所、上海工業(yè)自動化儀表研究所等十余家單位，自主研發(fā)成功的無線標準。WIA-PA規(guī)范于2008年10月31日經過國際電工委員會(IEC)全體成員國的投票，以96%的得票率獲得通過，作為公共可用規(guī)范IEC/PAS 62601標準化文件正式發(fā)布。目前WIA-PA標準已形成我國國家標準草案，得以使工業(yè)無線技術的國際標準形成Wireless HART(HART基金會)、ISA 100.11a(ISA)、WIAPA(中國)三足鼎立的局面。

1.5 無線IEEE 1451標準

無線IEEE 1451標準是由IEEE儀器和測量協(xié)會的傳感器技術委員會發(fā)起的，專為智能傳感器接口制訂的標準，其主要特點是具有數據處理的智能化，其IEEE 1451.5-2007標準即為智能傳感器無線通信協(xié)議和傳感器電子數據表格式的相關標準。

1.6 其它

無線 IEEE 802.11標準是由IEEE LAN/MAN標準委員會制訂的有關無線局域網通信的系列標準。無線EnOcean標準是樓宇自動化領域的一種無線通信系統(tǒng)，至今并未獲得相應國際標準化組織的批準認可，但受到西門子等公司的大力支持。此外，還有僅在有限范圍內用于傳輸少量數據的IEEE 802.15.1(藍牙)無線個域網標準，以及廣為所知的GSM/GPRS等無線標準。

2 無線標準的融合

不難看出，目前無線標準的種類繁多，它們在市場中也各占有一席之地，要想實現無線標準的統(tǒng)一非常難，無線標準技術的融合面臨很大的挑戰(zhàn)。在這些新興的無線標準中有三個公認的主流標準，它們是無線ISA100.11a、無線HART、無線WIA-PA。由于無線ISA100.11 a和無線HART之間有重合性，ISA100委員會為推進無線標準的融合工作，成立了融合小組—ISA100.12，目前ISA100.12已經開始做無線標準的融合工作，負責無線ISA100和無線HART的技術融合，它獨立咨詢各個終端用戶需求，成立融合用戶需求團隊來接受用戶的需求，并提出無線標準技術融合建議，融合工作建議請求已于2010年9月投票通過，并得到了ISA100委員會的批準。

雖然無線技術標準融合的過程是艱難和漫長的，但隨著計算機網絡技術的發(fā)展和市場需求的推動，相信在不久的將來，無線標準融合工作一定會有突破性進展，以實現無線控制產品價值的最大化。

3 無線控制技術在國外的應用

無線智能儀表與控制系統(tǒng)在國外發(fā)電廠、冶金、石化、煉油等行業(yè)已有許多成功的應用案例。

法國Carling的Total 石化公司，該公司安裝了智能無線溫度變送器，用以傳輸鍋爐爐壁的溫度變化信息，該鍋爐主要向工廠裂解爐提供蒸汽，通過無線溫度變送器對爐壁溫度進行監(jiān)視。

英國E.ON發(fā)電廠，裝機容量為1940 MW，采用了艾默生公司的智能無線技術對水處理流量進行監(jiān)視和測量。

美國愛達荷州的Nu-West公司磷肥廠，采用了智能無線技術對距離中控室250英尺的反應塔上16個測量點的溫度和壓力信息進行監(jiān)視和控制。

美國加利福尼亞州Chevron公司的油田。這個油田安裝了2個智能無線網絡，用于監(jiān)視蒸汽輸入過程以及測量井下壓力。無線設備投入運行后，大大提升操作人員的安全性、減少廢水排放、縮短生產時間、優(yōu)化了生產策略。

美國賓夕法尼亞州PPL發(fā)電廠，采用了智能無線技術測量鍋爐給水泵系統(tǒng)的壓力、溫度、油位等相關信號。

美國Nebraska電站采用無線技術用于監(jiān)視其遠方的油罐工況。

美國LCRA下屬的SGPP(3×650MW機組)電廠和LPPP(545MW燃氣蒸汽聯合循環(huán)機組)電廠采用無線控制系統(tǒng)實現兩廠異地的數據共享和通信管理等。

4 無線控制技術在國內的應用現狀

無線控制技術在我國冶金、化工、石化等領域已有了初步的應用業(yè)績。例如：江蘇連云港某化工有限公司的2000t2，6—二異丙基苯胺反應系統(tǒng)、精溜裝置溫度壓力監(jiān)控、進料系統(tǒng)的監(jiān)控等采用WIA-PA工業(yè)無線控制技術取代了目前化工領域應用最為廣泛的現場總線技術，該無線控制系統(tǒng)是我國目前無線控制規(guī)模最大的系統(tǒng)，自2010年11月正式投運至今，運行效果反應良好。無線WIA-PA網絡是無需網絡基礎設施支持可自組織多跳網絡，網絡設備啟動后，無需人工配置，自主形成網絡。無線智能變送器采集到工藝過程變量有溫度(14臺)、壓力(3臺)、差壓(4臺)液位(3臺)、流量(4臺)等參數，通過WIA-PA網絡，傳輸至網關，分散控制系統(tǒng)(DCS)通過MODBUS協(xié)議訪問網關，讀取到的信息通過PID運算后，形成控制指令，利用MODBUS協(xié)議中的寫保護寄存器指令發(fā)送至網關，網關經過解析利用WIA-PA無線控制網絡下發(fā)到指定的無線執(zhí)行器(13臺)。WIA-PA無線網絡覆蓋范圍在空曠環(huán)境下可以達到1500M，但在實際工程中存在著樓板、鋼管、設備等障礙物對無線信號產生遮擋，減弱信號強度，因此有些節(jié)點不能直接與網關通信，只能通過其他監(jiān)測點路由送到網關，通信路徑的冗余是保證數據可靠傳輸的手段。

目前國內電廠還沒有實質性大范圍應用無線控制技術的實例，據了解，河北張家口電廠、上海石洞口電廠、廣東茂名電廠分別在水源地、除灰、葉輪給煤機等系統(tǒng)采用了無線控制技術，簡單介紹如下：

張家口發(fā)電廠全廠共有8×300MW機組，其水源地共有26口深井，原采用長距離架空電纜遠方控制，最長控制電纜大約為5.05公里。電廠經技術改造后，在水源地每個井位布置1臺遠方遙控箱，通過現場的數據采集單元，信號經移動公網，通過GPRS APN業(yè)務傳輸至泵房監(jiān)控中心，實現無線遠方控制，該無線控制系統(tǒng)自2007年投運以來，運行狀況一直穩(wěn)定，能滿足電廠運行管理要求。

華能上海石洞口第一發(fā)電廠除灰系統(tǒng)原采用常規(guī)PLC控制，倉泵和灰?guī)斓牟糠帜M量信號沒有納入可編程控制器(PLC)控制系統(tǒng)，由于自動化水平較低，給電廠運行管理帶來不便。2008年電廠對除灰系統(tǒng)進行了技術改造，控制范圍包括四臺鍋爐的氣力輸灰、灰?guī)?、灰漿系統(tǒng)，考慮到在灰?guī)焐戏笤O電纜較困難，灰?guī)祉旓L機差壓、灰?guī)斓琢骰L機壓力、斜槽流化風機壓力等的測量選用了無線智能變送器。無線硬件由無線變送器和無線網關1420組成，單個無線設備之間的距離可以達到228m，無線網關與上位控制系統(tǒng)采用有線連接，通信方式可以有Modbus485、ModbusTCP/IP、OPC 3種可選。電廠技改后的控制系統(tǒng)采用羅克韋爾AB系列的PLC，由于AB系列的PLC沒有空余的485接口，電廠無線控制采用OPC連接?，F場智能無線變送器完全由電池供電，連續(xù)工作3～5年無需更換。1420網關需要接24VDC電源，整個無線網絡通電后自動上線調整，無需人工干預，自動化水平較高，現場調試人員只需通過無線手操器HART 375進行變送器參數設定，也可在隨機配備的無線軟件中進行設置。該無線控制系統(tǒng)集成簡單，便于實施，自投運至今運行穩(wěn)定，電廠反映良好。

廣東茂名電廠200MW機組的葉輪給煤機，采用進口無線遙控系統(tǒng)，常規(guī)輸煤系統(tǒng)都是采用PLC進行控制，由于葉輪給煤機屬于移動設備，采用拖車或電纜卷筒供電方式較多，控制電纜使用行走電纜，至少采用一條數字量控制電纜和一條模擬量屏蔽計算機電纜，行走電纜需要布置電纜掛和滑輪支架等，預埋件難定位，其安裝、使用和維護都非常不方便，采用無線控制技術后，不僅省去了行走電纜，連從葉輪給煤機就地控制箱至輸煤程控柜的電纜也取消了，日常維護更加方便，該無線控制系統(tǒng)自2003年投運至今，運行狀況良好。

5 應用無線控制技術經濟分析

以下分別對江蘇連云港化工廠的反應系統(tǒng)、精溜裝置采用無線控制技術和廣東茂名電廠葉輪給煤機采用無線控制技術為例進行技術經濟分析。

5.1 江蘇連云港化工廠無線控制系統(tǒng)技術經濟分析

江蘇連云港化工廠2000t2，6—二異丙基苯胺反應系統(tǒng)、精溜裝置采用WIA-PA無線控制系統(tǒng)后，降低了工程前期投資，減少了運行維護成本，經濟效益明顯，根據相關資料介紹，具體分析如下：

若采用常規(guī)有線控制，需要將就地檢測元件及儀表引至集中控制室的電子機柜內，需要敷設電源電纜、橋架、通信線、阻燃屏蔽電纜，整個裝置所需布線長度約為400M，此項費用(包括安裝費)按常規(guī)計算為6萬元；DCS需要增加I/O板卡，每個模擬量卡件為4通道或8通道。國產卡件0.2萬元/個，進口卡件為0.5萬元/個，每增加一個I/O點，費用最低需要400元，41個模擬量輸入點，13個模擬量輸出點，DCS部分要增加7個卡件，此項費用3.6萬；41臺有線儀表調試費共計0.4萬元，因此總的儀表安裝調試費用為10萬元。

按有線控制計算：DCS的價格為21萬，現場儀表費用為30萬元，現場施工安裝調試費用為10萬元，共計61萬元。施工時間為2個月。

采用無線控制技術后，現場無需布線，DCS只需增加1個帶有MODBUS RTU協(xié)議的板卡，費用為0.2萬元，增加無線網絡的接入網關，費用為0.4萬元。

由此可以看出，采用無線控制技術后減少儀表和卡件等費用共計9萬元，節(jié)省儀表控制系統(tǒng)投資15%，施工安裝費用降低80%，調試安裝時間從原來的2個月縮減到半個月，大大節(jié)省了人力和時間，縮短建設項目投資，有效降低工程成本。

5.2 廣東茂名電廠無線控制系統(tǒng)技術經濟分析

廣東茂名電廠200MW機組的葉輪給煤機采用無線控制技術后，不僅省去了行走電纜，連從葉輪給煤機就地控制箱至輸煤程控柜的電纜也取消了，日常維護更加方便，同時還取消了葉輪給煤機專用的I/O模塊，每臺機可節(jié)省約30個I/O點。

若采用常規(guī)電纜控制，1臺葉輪給煤機需要的開關量和模擬量模塊約要2萬元，1根ZR-KVV22P2-24×1.5電纜及1根ZR-DJYPVP-2×2×1.0電纜各200m，共計費用8000元，加上就地控制箱、電纜掛、鋼管以及施工安裝費用等，總費用超過了1套無線遙控裝置的費用。

由此可見，無線控制技術非常適合惡劣環(huán)境下長距離的監(jiān)控。葉輪給煤機采用無線控制后，不但節(jié)省了投資，減輕了電廠運行、維護工作量，還提高了系統(tǒng)的安全、可靠性，值得在電廠中推廣應用。

6 無線技術在電廠應用展望

如前所述，無線控制技術已經在電廠水源地、灰?guī)臁⑷~輪給煤機等地得到成功應用，因此，在電廠無人值守的泵房、油灌區(qū)等輔助車間或輔助系統(tǒng)采用無線控制技術是可行的。

隨著無線控制協(xié)議融合的發(fā)展以及智能無線儀表、執(zhí)行器的應用發(fā)展，在保證信號安全、暢通的條件下，無線技術原則上可以用于電廠的數據采集與監(jiān)視、排放監(jiān)視、旋轉機械狀態(tài)監(jiān)視、視頻安防、火焰遙測、廠內通信、常規(guī)控制和保護等。

當巡檢人員配置具有全功能PC環(huán)境的無線移動工具，可實現與運行人員及現場設備的無線通信，完成現場設備及過程的就地數據收集、檢查、故障診斷、調校等，需要時也可與實時監(jiān)控系統(tǒng)、計算機狀態(tài)檢修系統(tǒng)、計算機文檔系統(tǒng)等實現信息共享。配置無線定位跟蹤系統(tǒng)后，可實施現場人員的動態(tài)管理。

7 電廠應用無線控制技術的建議

無線技術是過程控制領域最前沿的技術，采用無線控制技術使發(fā)電廠的設計、施工、調試和運行更加智能化和簡單化。目前，美國艾默生公司、美國霍尼韋爾公司和日本橫河電機公司等已研發(fā)出一系列智能無線儀表設備，而且在國內外都有成功的應用業(yè)績，因此，可以在電廠的某些區(qū)域或系統(tǒng)逐步用無線控制系統(tǒng)替代有線控制系統(tǒng)。在電廠應用無線控制技術的建議如下：

(1)基于目前國內的應用經驗，建議先在水源地、葉輪給煤機、除灰系統(tǒng)、城市供熱網站、輸煤碼頭卸料系統(tǒng)等采用無線控制系統(tǒng)，逐步擴展到其它輔助車間系統(tǒng)。

(2)在電廠中應用無線技術應選擇合適的無線技術標準和有一定技術實力以及工程應用能力的供應廠商，從而使所選定的無線控制系統(tǒng)滿足電廠安全性、擴展性、開放性、可靠性、良好電源管理性和多協(xié)議支持等要求。

(3)選擇無線技術標準時，建議重點考慮：一是較低頻率的無線技術有著較長的通信距離；二是在傳輸距離和空間數據傳輸速率之間要掌握好平衡點，傳輸速率越低其傳輸距離則越遠；三是選用合理的傳輸方法，如：固定頻率、FHSS、DSSS、OFDM等，采取一定的安全措施，如：信息加密、鑒定/確認、密匙管理等。

(4)做好無線技術應用工程的評估工作。如采用射頻頻譜分析儀預先測定電廠區(qū)域的已有頻譜，確定具體的安全要求及組態(tài)，確定無線網絡拓樸結構和網絡集成要求，提前做好與地方無線電管理委員會的溝通協(xié)商等。

[1]ISA 100和無線標準的融合，Harry Forbes 2010.10.1 ( ISA WCI中國路演 2011年資料).

[2]工業(yè)無線技術在電廠的應用場合探討 霍尼韋爾中國公司(儀表網).

[3]艾默生智能無線技術電廠工程應用案例，2011-6-21(儀表網).

[4]張瓊，王紅艷，白冰穎.工業(yè)無線網絡在化工領域的應用實例[J].儀器儀表標準化與計量，2011，(2) .

[5]田擁軍，趙光強.基于ZigBee的智能用電管理系統(tǒng)設計[J].中國儀器儀表，2011，(4) .